Nghiên cứu và đề xuất mô hình hệ thống thông tin vệ tinh tầm thấp băng rộng tại việt nam

MỞ ĐẦU Hiện nay trong kỷ nguyên kỹ thuật số phát triển với tốc độ chóng mặt với nhu cầu tăng theo số mũ về các ứng dụng của trí tuệ nhân tạo, các ứng dụng Internet thế hệ mới, các ứng dụ

Trần Mạnh Thắng

NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ

TINH TẦM THẤP BĂNG RỘNG TẠI VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI – 2021

Trần Mạnh Thắng

NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ

TINH TẦM THẤP BĂNG RỘNG TẠI VIỆT NAM

Chuyên ngành : Kỹ thuật viễn thông

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 20

Tác giả luận văn

Trần Mạnh Thắng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC BẢNG ix

DANH MỤC HÌNH VẼ x

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I - TỔNG QUAN HIỆN TRẠNG KHAI THÁC VỆ TINH ĐỊA TĨNH BĂNG RỘNG VÀ VỆ TINH TẦM THẤP 3

1.1 Khái quát chung về thông tin vệ tinh 3

1.2 Tổng quan về vệ tinh địa tĩnh băng rộng và thực trạng khai thác vệ tinh địa tĩnh ở Việt Nam 6

1.2.1 Giới thiệu về vệ tinh địa tĩnh 6

1.2.2 Thực trạng khai thác vệ tinh địa tĩnh băng rộng tại Việt Nam: 7

1.3 Đánh giá về tiềm năng khai thác về vệ tinh quỹ đạo thấp trên thế giới và tại Việt Nam 9

1.3.1 Khái quát về vệ tinh quỹ đạo thấp 9

1.3.2 So sánh cơ bản vệ tinh địa tĩnh và vệ tinh quỹ đạo thấp: 9

1.3.3 Tiềm năng cạnh tranh giữa vệ tinh địa tĩnh và vệ tinh quỹ đạo thấp 12

1.3.4 Tính cạnh tranh của các dự án vệ tinh quỹ đạo thấp với các hạ tầng viễn thông mặt đất 16

1.3.5 Tiềm năng khai thác vệ tinh quỹ đạo thấp tại Việt Nam 18

1.4 Kết luận chương: 20

CHƯƠNG 2 - PHÂN TÍCH CÁC THAM SỐ KHÔNG GIAN CHO HỆ THỐNG VỆ TINH TẦM THẤP 21

2.1 Khái niệm chung về vệ tinh quỹ đạo tầm thấp: 21

2.1.1 Giới thiệu chung: 21

2.1.2 Đặc điểm cơ bản của vệ tinh LEO: 22

2.1.3 Các loại vệ tinh LEO và các ứng dụng: 23

2.2 Quỹ đạo vệ tinh: 24

2.2.1 Các mô hình mạng vệ tinh: 24

2.2.2 Vùng phủ và các khoảng trống: 26

2.3 Quỹ đạo và các tham số liên quan: 30

2.3.1 Mô tả chung: 30

2.3.2 Gia tốc trọng trường, vận tốc, chu kỳ: 31

2.3.3 Vị trí vệ tinh theo thời gian: 32

2.3.4 Góc ngẩng vệ tinh, mặt phẳng nghiêng, CPA và khoảng cách truyền: 33

2.4 Truyền thông vệ tinh LEO: 35

2.4.1 Phân bổ tần số: 35

2.4.2 Điều chế 38

2.4.3 Tỉ số BER và hệ số FEC: 39

2.4.4 Chất lượng tuyến: 40

2.4.5 Hạn chế hình học trong giao tiếp giữa vệ tinh và mặt đất: 43

2.5 Điều khiển và xác định hành vi (Attitude Determination and Control System - ADACS): 44

2.5.1 Giới thiệu chung ADACS 44

2.5.2 Các thành phần ADACS: 45

2.5.3 Các thuật toán của ADACS: 49

2.6 Liên kết giữa các vệ tinh - Inter Saterllite link ISL: 49

2.6.1 Mô hình mạng ISL: 50

2.6.2 Các bước nhảy: 50

2.6.3 Đường dẫn của ISL: 51

2.6.4 Thuật toán với các vệ tinh tăng dần và giảm dần: 52

2.7 Các phân hệ phụ tải: 53

2.8 Phần trạm mặt đất và các phần phụ trợ: 54

2.8.1 Trạm mặt đất: 54

2.8.2 Bám vệ tinh LEO: 54

2.9 Kết luận chương: 56

CHƯƠNG 3 - NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH TẦM THẤP BĂNG RỘNG TẠI VIỆT NAM 57

3.1 Phạm vi và mục đích: 57

3.2 Mô hình xây dựng 58

3.2.1 Mô tả chung: 58

3.2.2 Băng tần khai thác: 59

3.2.3 Búp sóng khai thác: 60

3.2.4 Chùm vệ tinh, các tham số quỹ đạo: 62

3.2.5 Các tham số khác: 65

3.3 Kết luận chương: 70

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71

TRÍCH DẪN TÀI LIỆU 73

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CSCI Computer Software Configuration Items

CT&R Command, Telemetry And Ranging

DIV Divide

EIRP Equivalen Isotropic Radiated Power

GN&C Guidance, Navigation And Control

INTELSAT International TELecommunication SATellite

LNA Low Noise Amplifier

LTWTA Linearized Traveling Wave Tube Amplifier

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

SK Stationkeeping

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1-1: Bảng phân bổ tần số quy hoạch vệ tinh theo các băng tần 4

Bảng 1.2: Các dự án chòm sao vệ tinh quỹ đạo thấp phổ biến hiện nay 13

Bảng 1.3 So sánh chi phí đầu tư ra 1Gbps của Oneweb và Viasat-3 14

Bảng 1.4: Bảng tham chiếu bán lẻ dịch vụ vệ tinh trên thế giới 16

Bảng 2.1 Phân loại các hệ thống vệ tinh LEO 23

Bảng 2.2: Đặc điểm của một số mạng vệ tinh 24

Bảng 2.3: Ví dụ về độ cao, vận tốc, chu kỳ và gia tốc hướng tâm 32

Bảng 2.4 Phân bố dải tần được sử dụng cho vệ tinh 35

Bảng 2.4 Phân bố dải tần được sử dụng cho vệ tinh (tiếp) 36

Bảng 2.5: Phân loại điều chế và các đặc tính cơ bản 38

Bảng 2.6: Bảng thống kê Eb/No theo các giá trị BER và điều chế khác nhau 40

Bảng 2.7: Ví dụ về phương trình công suất tuyến truyền dẫn 42

Bảng 3.1 Băng tần cho vệ tinh LEO thiết kế 59

Bảng 3.2: Chu kỳ quỹ đạo vệ tinh tính theo ngày 65

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Hình minh họa hoạt động của các quỹ đạo vệ tinh 5

Hình 1.2: Minh họa về các dịch vụ vệ tinh DBS và DTH 7

Hình 1.3 So sánh đặc tính của các vệ tinh GEO, LEO, MEO 10

Hình 1.4: Bảng so sánh các công nghệ truyền dẫn theo mật độ dân cư 17

Hình 1.5: Biểu đồ phần trăm người dùng cá nhân sử dụng Internet theo khu vực và tình trạng phát triển, năm 2019 18

Hình 2.1: Các mô hình vệ tinh theo cao độ quỹ đạo 21

Hình 2.2: Vùng phủ của các mô hình vệ tinh theo quỹ đạo 22

Hình 2.3: Hình ảnh quỹ đạo của GPS và Globalstar 25

Hình 2.4: Mô phỏng vùng phủ của vệ tinh ở độ cao 600km 25

Hình 2.5: Biến thiên giữa khoảng trống của các vùng phủ với số lượng vệ tinh trên cùng một mặt phẳng quỹ đạo 26

Hình 2.6: Biến thiên của vùng chồng lấn tại các cao độ khác nhau với số lượng vệ tinh khác nhau trên cùng khoảng cách của  là 1000 km 28

Hình 2.7: Mạng 1 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng 65o tại cao độ 700km với 8 vệ tinh 29

Hình 2.8: Vùng phủ của 8 vệ tinh trên một mặt phẳng quỹ đạo tại cao độ 700km nghiêng 650 đảm bảo vùng phủ toàn cầu 29

Hình 2.9: Các quỹ đạo cực, nghiêng, quỹ đạo mặt trời và hình elip nhìn từ mặt trời 30

Hình 2.10: Mô tả các thành phần quỹ đạo 32

Hình 2.11: Mô tả hình học tương quan trái đất và vệ tinh 33

Hình 2.12: Biến thiên của độ nghiêng và khoảng cách mặt đất (km) so với góc ngẩng ở các cao độ khác nhau của vệ tinh 34

Hình 2.13: Tương quan của khoảng CPA và các tham số quỹ đạo khác 34

Hình 2.14: Biến thiên tỉ lệ lỗi bit với Eb/No theo các kiểu điều chế khác nhau 40

Hình 2.15: Tương quan góc ngẩng và khoảng cách mặt đất và thời lượng vượt qua của vệ tinh theo một điểm tiệm cần gần nhất CPA cố định 43

Hình 2.16: Mô phỏng mô men xoắn trong điều chỉnh ADACS 46

Hình 2.17: Mô hình đa bước nhẩy kết nối 2 người dùng vệ tinh 50

Hình 2.18: Mô hình mạng và ISL 51

Hình 2.19: Các đường dẫn khả thi từ vệ tinh nguồn đến đích với số bước nhảy tối thiểu 52

Hình 2.20: Quỹ đạo vệ tinh chiều tăng và giảm dần 52

Hình 2.21 Mô tả phần phụ tải vệ tinh LEO điển hình 53

Hình 3.1: Băng thông phân bố cho tuyến lên và xuống thiết kế 60

Hình 3.2 Vùng phủ vệ tinh LEO thiết kế 63

Hình 3.3: Minh họa biểu đồ công suất dự phòng tuyến băng Ku 67

MỞ ĐẦU

Hiện nay trong kỷ nguyên kỹ thuật số phát triển với tốc độ chóng mặt với nhu cầu tăng theo số mũ về các ứng dụng của trí tuệ nhân tạo, các ứng dụng Internet thế

hệ mới, các ứng dụng IoT… hạ tầng viễn thông tại Việt Nam phải đặt ra mục tiêu:

“Xây dựng được hạ tầng số đạt trình độ tiên tiến của khu vực ASEAN; Internet băng thông rộng phủ 100% các xã” và đến năm 2030 “Mạng di động 5G phủ sóng toàn quốc; mọi người dân được truy cập Internet băng thông rộng với chi phí thấp.”

Song song với việc nâng cao dung lượng các đường truyền cáp quang đường trục liên tỉnh và quốc tế việc nâng cao khả năng tương tác của các dịch vụ qua vệ tinh cũng cần được quan tâm và nâng cấp là điều cần thiết

Trong những năm gần đây, thế giới chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ chùm vệ tinh phi địa tĩnh ứng dụng phổ biến trong việc cung cấp Internet băng rộng toàn cầu

Đó là các hệ thống GX của Inmarsat, Epic của Intelsat, Viasat 3 của Viasat, Starlink của SpaceX, chùm vệ tinh của Oneweb, SES, Boeing Các hệ thống này được xây dựng với mục đích cung cấp dịch vụ viễn thông giá rẻ cho hàng tỷ người dân ở các khu vực chưa có cơ hội tiếp cận Internet băng rộng

Do vậy, hệ thống chùm vệ tinh với những công nghệ mới có thể thành công trong kỷ nguyên Internet, có thể đem cung cấp dịch vụ Internet toàn cầu với giá thành rẻ, cạnh tranh hay không là những vấn đề mà đề tài đang muốn nghiên cứu và tìm câu trả lời

Nắm bắt được xu thế công nghệ và nhu cầu chia sẻ dữ liệu băng rộng tại các vùng dân cư thưa thớt hoặc các vùng khó triển khai mạng lưới như biên giới hải đảo

Do vậy, Đề tài đi vào nghiên cứu, đề xuất mạng vệ tinh tầm thấp băng rộng nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển trên nhằm nâng cao khả năng liên lạc đáp ứng nhu cầu của các dịch vụ băng rộng trong kỉ nguyên công nghệ số: tốc độ cao, khả năng đáp ứng thuậnn tiện, độ trễ truyền dẫn thấp với giá thành chấp nhận được

Luận văn gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan hiện trạng khai thác vệ tinh địa tĩnh băng rộng và vệ tinh tầm thấp

Chương 2: Phân tích các tham số không gian cho hệ thống vệ tinh tầm thấp

Chương 3: Nghiên cứu hệ thống thông tin vệ tinh tầm thấp băng rộng tại Việt Nam

CHƯƠNG I - TỔNG QUAN HIỆN TRẠNG KHAI THÁC VỆ TINH ĐỊA TĨNH BĂNG RỘNG VÀ VỆ TINH TẦM THẤP 1.1 Khái quát chung về thông tin vệ tinh

Thông tin vệ tinh là một phần của hệ thống thông tin toàn cầu, góp phần truyền tải một lưu lượng dữ liệu lớn không chỉ cho các tín hiệu truyền hình mà còn là tín hiệu di dộng Việc sử dụng vệ tinh trong thông tin tin liên lạc là một thực tế đang diễn

ra trong cuộc sống hàng ngày Bằng chứng của việc này hiện hữu qua việc giờ đây rất nhiều hộ gia đình lắp đặt các chảo anten vệ tinh hay như các thiết bị di động cầm tay có lắp các thẻ SIM vệ tinh để tiếp nhận tín hiệu và sử dụng các dịch vụ thu được

từ vệ tinh

Vì có độ cao lớn so với trái đất nên vệ tinh có một vùng rộng phủ sóng lớn trên bề mặt trái đất Vệ tinh giống như một điểm ngôi sao trong thông tin liên lạc để kết nối nhiều người dùng với nhau cùng lúc và những người dùng đó ở các vùng địa

lý rất xa nhau Điều này được chứng minh khi một anten chỉ có vùng bao phủ vài km2thì vệ tinh viễn thông có vùng bao phủ hàng nghìn km2 .Đặc trưng truyền tin này giúp vệ tinh đảm bảo việc cung cấp kết nối thông tin liên lạc cho các vùng cộng đồng

xa tại các vùng cư dân thưa thớt và điều này khó thực hiện ở các phương thức truyền tải thông tin khác Vệ tinh cũng được dùng trong việc viễn thám từ xa, ví dụ như dò thăm dò ô nhiễm nguồn nước cũng như giám sát và báo cáo về tình trạng khí hậu Một số vệ tinh viễn thám cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tìm kiếm và cứu nạn các máy bay bị rơi cũng như các điều khác tương tự

Việc phân bổ tần số cho các dịch vụ vệ tinh là một quy trình phức tạp đòi hỏi

sự phối hợp và lập kế hoạch quốc tế Điều này được thực thi dưới sự bảo trợ của liên minh viễn thông Quốc tế (ITU) Để tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân bổ tần số, thế giới được chia làm ba khu vực[1]:

- Khu vực 1: Châu âu, Châu Phi và một phần Mông Cổ

- Khu vực 2: Bắc và Nam Mỹ, đảo Greenland

- Khu vực 3: Châu Á, Úc và miền Nam Tây Thái Bình Dương

Trong các vùng này, các dải tần số được phân bổ cho các dịch vụ vệ tinh khác nhau, mặc dù có thể các dịch vụ này được phân bổ tại các dải tần số khác nhau và tại các vùng khác nhau Mốt số các dịch vụ được cung cấp bởi vệ tinh là:

vụ di động bao gồm di động mặt đất, di động hàng hải và di động không gian Dịch

vụ vệ tinh định vị bao gồm có hệ thống định vị toàn cầu (GPS – Global Positioning Service) và các vệ tinh dùng cho hoạt động tìm kiếm, cứu nạn

Tần số của các băng tần chỉ định để sử dụng cho các dịch vụ phổ biến trên

vệ tinh được liệt kê trong bảng dưới:

quảng bá trực tiếp không được phép sử dụng trên băng tần này Đối với các dịch vụ

vệ tinh cố định trên băng C, phần lớn là sử dựng băng tần phụ là xấp xỉ từ 4 đên 6GHz, được biểu thị là 6/4GHz Băng tần VHF sử dụng cho các dịch vụ di động cố định và dịch vụ định hướng và cho truyền dữ liệu từ vệ tinh thời tiết Băng tần L được dùng cho dịch vụ vệ tinh di động và hệ thống dẫn đường

Các hoạt động của vệ tinh viễn thông được chia theo quỹ đạo hoạt động của chúng Hiện nay, vệ tinh được chia làm 3 quỹ đạo hoạt động chính:

- Vệ tinh quỹ đạo thấp (LEO – Low Earth Orbit): hoạt động ở độ cao 320 -

1100 km so với trái đất

- Vệ tinh quỹ đạo trung (MEO – Middle Earth Orbit): hoạt động ở độ cao

8000 - 1200 km so với trái đất

- Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh (GEO - Geostationary Earth Orbit): hoạt động ở

độ cao 36.000 km so với trái đất

Hình 1.1: Hình minh họa hoạt động của các quỹ đạo vệ tinh

Thời gian về trước, khi so sánh với các dự án thông tin mặt đất thì các dự án vệ tinh thông tin có chi phí lớn hơn về giá trị chi phí triền khai cũng như do một số khó

khăn về mặt công nghệ nên số nước theo đuổi các dự án vệ tinh không nhiều Tuy nhiên, với việc phát triển liên tục của khoa học công nghệ thì chi phí triển khai các

dự án vệ tinh thông tin đã giảm đi đáng kể Bên cạnh đó, các vệ tinh thông tin ngoài việc đảm bảo yếu tố duy trì kênh thông tin liên lạc thì nó còn có ý nghĩa trong việc đảm bảo chủ quyền của các nước trên không gian vũ trụ Do đó, số lượng các nước theo đuổi và triền khai các dự án vệ tinh thông tin ngày càng nhiều

1.2 Tổng quan về vệ tinh địa tĩnh băng rộng và thực trạng khai thác vệ tinh địa tĩnh ở Việt Nam

1.2.1 Giới thiệu về vệ tinh địa tĩnh

Quỹ đạo địa tĩnh là quỹ đạo tròn ngay phía trên xích đạo Trái Đất (vĩ độ 0º)

Bất kỳ điểm nào trên mặt phẳng xích đạo đều quay tròn xung quanh Trái Đất theo cùng một hướng và với cùng một chu kỳ (vận tốc góc) giống như sự tự quay của Trái Đất

Nó là trường hợp đặc biệt của quỹ đạo địa đồng bộ, và là quỹ đạo được những người khai thác hoạt động của vệ tinh nhân tạo ưa thích (bao gồm các vệ tinh viễn thông và truyền hình) Quỹ đạo này qua tính toán có khoảng cách so với trái đất là 36.000 km Các vị trí vệ tinh sẽ duy trì một vùng bao phủ cố định trên trái đất và chỉ có thể khác nhau theo kinh độ Ngày nay, có hàng trăm vệ tinh địa tĩnh đang hoạt động trên quỹ đạo, cung cấp các dịch vụ như truyền hình quảng bá, một số thông tin liên lạc tốc độ thấp và các dữ liệu thời tiết Do các đặc điểm chính của chúng (vị trí cố định trên một điểm trên Trái đất), các vệ tinh này chủ yếu được sử dụng cho các dịch vụ viễn thông (phát sóng truyền hình trực tiếp tại nhà, thoại và internet) Ngoài ra, các vệ tinh địa tĩnh còn được sử dụng cho mục đích quan sát Trái đất (viễn thám)

Các tần số phân bổ cho các vệ tinh địa tĩnh là băng tần C và băng tần Ku Các dịch vụ quảng bá trực tiếp đến tivi của các hộ người dùng được thực thi trên băng tần

Ku (14/12 GHz) Các dịch vụ này còn được gọi là dịch vụ vệ tinh quảng bá trực tiếp (DBS – Direct Broadcast Satellite) Có một số thay đổi nhỏ trong ở các tần số được phân bổ sẽ tùy theo các vùng địa lý khác nhau Băng tần C không được sử dụng hướng đến các đối tượng người dùng cá nhân mà được sử dụng giống như mạng chuyển tiếp

để truyền tải truyền thông tin giữa các đài phát tivi thương mại (bao gồm: các trạm phát tivi quảng bá sử dụng băng tần UHF và VHF, các studio đầu-cuối truyền hình cáp) Sự khác nhau chính giữa các hệ thống thu băng tần C và băng tần Ku nằm ở tần

số hoạt động của các thiết bị ngoài trời (kích cỡ anten thu, bộ khuếch đại tạp âm thấp…)

Một ví dụ về chu trình truyền tải tín hiệu truyền hình của vệ tinh được mô tả như trong hình minh họa: tín hiệu truyền hình dược điều chế tại các trạm phát sóng của đài truyền hình, sau đó qua hệ thống anten phát lên vệ tinh Các bộ phát đáp của vệ tinh tiếp nhận, khuếch đại tín hiệu truyền hình và sử dụng hệ thống anten của phân hệ tải tin thực hiện phát xuống vùng che phủ mặt đất Các hộ thuê bao trong vùng bao phủ sẽ sử dụng các anten thu có kích cỡ nhỏ để tiếp nhận và giải điều chế tín hiệu trước khi đưa đến các tivi

Hình 1.2: Minh họa về các dịch vụ vệ tinh DBS và DTH

1.2.2 Thực trạng khai thác vệ tinh địa tĩnh băng rộng tại Việt Nam:

Các vệ tinh địa tĩnh của Việt Nam lần lượt được phóng lên quỹ đạo và đưa vào khai thác trong các năm 2008 (Vinasat-1) và 2012 (Vinasat-2) Các vệ tinh này được sản xuất bởi hãng Lockheed Martin (Mỹ) và có tuổi thọ thiết kế dự kiến là 15 - 20 năm[3].

Vệ tinh Vinasat-1 được thiết kế để cung cấp tuyến lên và tuyến xuống với vùng bao phủ là các khách hàng tại Việt Nam, Lào, Campuchia, Thái Lan và một phần Myanma Vệ tinh được đặt tại quỹ đạo địa tĩnh với kinh độ 132o Đông Phân hệ truyền tải tin của Vinasat-1 bao gồm: 12 kênh băng C, 10 kênh 36MHz và 2 kênh 72MHz, tần số tuyến lên 6430 – 6720 MHz và tần số tuyến xuống 3405 – 3695 MHz; 12 kênh

băng Ku có băng thông 36MHz với tần số tuyến lên từ 13.75GHz đến 14.5 GHz và tần số tuyến xuống từ 10.95 GHz đến 11.7 GHz Các bộ phát đáp trên vệ tinh sử dụng công nghệ khuếch đại tuyến tính đèn sóng chạy (TWTA) [4].

Vệ tinh Vinasat-2 được thiết kế để cung cấp tuyến lên và tuyến xuống với vùng bao phủ là các khách hàng tại Việt Nam, Lào, Campuchia, Thái Lan và một phần Myanma Vệ tinh được đặt tại quỹ đạo địa tĩnh với kinh độ 131.8o Đông Phân hệ truyền tải tin của Vinasat-2 cung cấp tổng số là 34 kênh băng Ku, 30 kênh có băng thông 36MHz và bốn kênh có băng thông 72MHz, tuy nhiên chỉ có 24 kênh là hoạt động chính, 10 kênh hoạt động dự phòng Các bộ phát đáp trên vệ tinh sử dụng công nghệ khuếch đại tuyến tính đèn sóng chạy (TWTA) Vệ tinh này sử dụng hai mặt phản xạ 96 inch được triển khai tại mặt đông và mặt tây, mặt trước của các mặt phản

xạ dùng để nhận tín hiệu thu/phát với phân cực dọc và mặt sau của các mặt phản xạ dùng để phát các tín hiệu thu/phát với phân cực ngang Các kênh thông tin được phân loại thành băng tần quy hoạch và chưa quy hoạch Các kênh của băng tần quy hoạch

có dải tần tuyến lên từ 12.75 GHz đến 13.25 GHz và dải tần tuyến xuống là từ 10.70 đến 11.45GHz Các kênh của băng tần chưa quy hoạch có dải tần tuyến lên từ 13.75 GHz đến 14.5 GHz và dải tần tuyến xuống là từ 10.95 đến 11.7GHz [5]

Hiện nay, hầu hết các bộ phát đáp băng C của vệ tinh Vinasat-1 đã được lấp đầy hoàn toàn bởi khách hàng trong và ngoài nước Đối với các bộ phát đáp băng Ku ở trên vệ tinh Vinasat-1 và Vinasat-2 thì khả năng lấp đầy đạt khoảng 50-60% dung lượng Dựa trên lượng khách hàng sử dụng các băng tần vệ tinh như này, có thể đánh giá là vệ tinh Vinasat đã đáp ứng được nhu cầu khách hàng với các dịch vụ vệ tinh cố định (băng C), còn nhu cầu sử dụng các dịch vụ vệ tinh quảng bá trực tiếp hiện chưa cao (băng Ku) Trong khi đó, đánh giá về mặt chi phí: chi phí để sản xuất và phóng

vệ tinh lên quỹ đạo địa tĩnh là lớn (sấp xỉ 300 triệu usd/vệ tinh) và hàng năm vẫn phải duy trì chi phí phát sinh lớn (bao gồm: chi phí bảo hiểm vệ tinh, chi phí hỗ trợ từ xa của hãng…) Do đó, lợi nhuận thu được từ các vệ tinh địa tĩnh của Việt Nam chưa đạt được như kỳ vọng và đang tiếp tục bị cạnh tranh bởi các vệ tinh địa tĩnh của các nước khác trong khu vực

Ngày nay, với xu hướng của các cuộc cách mạng khoa học công nghệ đang bùng nổ (cách mạng 4.0, chuyển đổi số…), việc phát sinh lưu lượng các ứng dụng

qua mạng Internet đang ngày càng lớn, các ứng dụng này là ứng dựng thời gian thực nên nó cần tốc độ truyền nhanh, độ trễ thấp Vệ tinh địa tĩnh có thể cung cấp được băng thông rộng với tốc độ đủ cao để đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng Tuy nhiên,

do khoảng cách giữ vệ tinh và trái đất là rất xa nên xuất hiện vấn đề về độ trễ trong việc truyền tải dữ liệu Đặc tính này hiện đang là vấn đề tồn đọng của hệ thống vệ tinh địa tĩnh mà nó khó khắc phục

1.3 Đánh giá về tiềm năng khai thác về vệ tinh quỹ đạo thấp trên thế giới

và tại Việt Nam

1.3.1 Khái quát về vệ tinh quỹ đạo thấp

Vệ tinh quỹ đạo thấp là các vệ tinh hoạt động ở quỹ đạo có khoảng cách so với trái đất từ 310 – 1200 km Các vệ tinh này có tốc độ di chuyển khoảng 7.78 x 103 m/s

và hoàn thành một chu kỳ quay quanh trái đất là khoảng 128 phút (một ngày có thể thực hiện 10 – 12 chu kỳ quỹ đạo)[8] Vệ tinh LEO thường được sử dụng cho ứng dụng liên lạc, trinh sát quân sự, theo dõi khí tượng, thăm dò địa chất… Vì các vệ tinh quỹ đạo thấp quay quanh nhanh hơn so với trái đất nên một vệ tinh không thể đảm bảo việc giao tiếp liên tục với một vị trí trên trái đất như vệ tinh địa tĩnh Để khắc phục điều này, lỹ thuyết chòm sao vệ tinh đã được đưa ra Chòm sao là tập hợp một nhóm vệ tinh hoạt động đồng thời và cách nhau một khoảng cách nhất định để cung cấp phạm vi phủ sóng cần thiết Điều hành một chòm sao vệ tinh quỹ đạo tầm thấp phải giảm sát, quản lý trạng thái và chức năng của hàng nghìn vệ tinh Những tiến bộ gần đây trong phân tích, tổng hợp, kết hợp với sức mạnh tính toán cải thiện nhờ sự

hỗ trợ của các thuật toán trí tuệ nhân tạo làm giảm thời gian phản hồi hệ thống và chi phí vận hành Các hệ thống được xây dựng tự động và bán tự động, hạn chế được những rủi ro do con người gây ra Đó là một trong những điều kiện đầu tiên giúp hệ thống chòm sao vệ tinh quỹ đạo thấp hoạt động trơn tru và có thể phát triển mở rộng mạng lưới trong tương lai

1.3.2 So sánh cơ bản vệ tinh địa tĩnh và vệ tinh quỹ đạo thấp:

Các vệ tinh liên lạc truyền thống với quỹ đạo địa tĩnh GEO đã chứng tỏ giá trị của chúng kể từ những năm 1960 Mặc dù chi phí đầu tư tốn kém nhưng chúng có khả năng cao và tuổi thọ lâu dài Thông thường một vệ tinh địa tĩnh tồn tại trên quỹ đạo là 15 - 20 năm, còn vệ tinh quỹ đạo thấp tồn tại trên quỹ đạo là 5 - 10 năm Đồng

thời, với độ cao cách Trái đất hơn 35.000 km giúp chúng đảm bảo cung cấp cho họ một trường nhìn rộng, cho phép người điều khiển có thể bao quát hầu hết bề mặt hành tinh với ba vệ tinh đặt cách nhau trong những khoảng thời gian thích hợp Do đó, các

dự án vệ tinh quỹ đạo thấp và quỹ đạo vừa thường bị bỏ qua

Quỹ

đạo

Cao độ Chu

kỳ quỹ đạo

Trễ truyền dẫn

Số lượng vệ tinh bao phủ toàn cầu

Chi phí cho 1 vệ tinh

Tuổi đời vệ tinh

triệu USD

15-20 năm MEO 2000-

25.786

km

24h

127p-~27-477

ms

5-30 phụ thuộc vào cao độ

80-100 triệu USD

10-15 năm

GEO 160-2000

km

127p

88-~2-27ms Từ hàng trăm

đến hàng nghìn

0,5-45 triệu USD

5-10 năm

(Nguồn: nternational Telecommunication Union 2020 The Last-Mile Internet Connectivity Solutions Guide:Sustainable Connectivity Options for Unconnected Sites)

Cho đến ngày nay, khi các công nghệ về vệ tinh phát triển, bao gồm có công nghệ phóng tên lửa đẩy mang vệ tinh, công nghệ chế tạo sản xuất vệ tinh,…, thì việc

thực hiện chế tạo và đưa vệ tinh lên các quỹ đạo trở nên đơn giản và tiết kiệm được nhiều chi phí Và việc triển khai các dự án vệ tinh quỹ đạo thấp trở nên dễ dàng để thực hiện với chi phí tiết kiệm hơn rất nhiều

Các vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh ở độ cao 36.000 km có vùng bao phủ tính toán gấp khoảng 2,7 lần vùng bao phủ của các vệ tinh quỹ đạo thấp ở độ cao 1000 km Để đảm bảo vùng bao phủ toàn cầu thì chỉ cần 3 vệ tinh GEO, điều đó đồng nghĩa là cần tối thiểu 15 vệ tinh LEO Vì các vệ tinh quỹ đạo thấp quay liên tục quanh trái đất nên cần số lượng lớn hơn rất nhiều Mặc dù cần số lượng vệ tinh lớn nhưng nó lại là lợi thế cho các vệ tinh quỹ đạo thấp vì số lượng vệ tinh này tạo thành một mạng lưới dày đặc, công suất sử dụng băng thông được tăng lên nhiều bởi vì khả năng tái sử dụng tần số Bằng cách thêm nhiều vệ tinh được đưa lên các chòm sao thì băng thông tái

sử dụng càng được tăng lên và dung lượng cho mỗi người dùng càng được tăng theo Vì vệ tinh quỹ đạo thấp có khoảng cách gần trái đất hơn so với vệ tinh địa tĩnh nên việc thời gian để truyền tín hiệu giữa vệ tinh và trái đất giảm đi đáng kể, nó đã khắc phục được nhược điểm lớn của vệ tinh địa tĩnh đó là vấn đề độ trễ Điều này giúp nó

có thể đảm bảo các ứng dụng thời gian thực, đó là xu hướng của cuộc cách mạng công nghệ hiện nay Theo tính toàn thì độ trễ của vệ tinh địa tĩnh là khoảng 280ms còn với vệ tinh quỹ đạo thấp thì độ trễ là sấp xỉ 20ms Qua đó, ta nhận thấy đặc điểm nổi bật của vệ tinh quỹ đạo thấp là nó đáp ứng được băng thông rộng và độ trễ thấp

Cùng với việc công nghệ đã phát triển, các nguồn thu nhập từ kết nối internet cũng vậy, tăng nhanh chóng theo thời gian Trong những năm 1990, các công ty truyền thông thường tuân theo một mô hình kinh doanh trong đó doanh thu đến từ phí dịch vụ cho băng thông và truy cập; tỷ lệ thường dựa trên lưu lượng sử dụng băng thông Hầu hết người tiêu dùng thường truy nhập trên máy tính để bàn có modem quay số Với nhu cầu tương đối thấp, mô hình này không khả thi đối với các khái niệm vệ tinh của những năm 1990 Đa số lúc đó các ứng dụng qua vệ tinh là các ứng dụng truyền hình, sử dụng băng thông lớn, và chỉ có các vệ tinh địa tĩnh mới đủ chi phí để đáp ứng được điều này Vài dự án chòm sao vệ tinh quỹ đạo thấp đã được triển khai vào cuối những năm 1990 và đầu 2000 thì phần lớn đã bị dừng hoặc bị phá sản, chỉ có một số ít dự án được thực hiện bởi các nhà đầu tư có tâm huyết vẫn còn duy trì nhưng ở trạng thái thử nghiệm

Ngày nay, với việc sử dụng điện thoại di động đang tăng lên, người tiêu dùng tiêu tốn nhiều băng thông hơn Ngoài ra, các phân khúc nhu cầu hoàn toàn mới, bao gồm kết nối hàng không trên chuyến bay, đã xuất hiện Cùng lúc đó, với công nghệ vũ trụ ngày càng tiên tiến, chi phí sản xuất vệ tinh cùng như chi phí phóng vệ tinh đã được giảm thiểu một cách đáng kể, đã thúc đẩy các dự án chòm sao vệ tinh quỹ đạo thấp càng trở nên thực tế

1.3.3 Tiềm năng cạnh tranh giữa vệ tinh địa tĩnh và vệ tinh quỹ đạo thấp

a Đánh giá về chi phí đầu tư sản xuất

Trong khoảng 3 năm gần đây, có khoảng 15 dự án chòm sao vệ tinh quỹ đạo thấp được các nhà cung cấp đưa ra gồm cả chính phủ lẫn tư nhân nhằm hướng đến cạnh tranh trên thị trường thông tin liên lạc toàn cầu với ưu thế sử dụng băng thông rộng với tốc đột truyền tải cao, độ trễ thấp Có ba dự án được công bố nhiều nhất là OneWeb, LeoSat và SpaceX Khi tất cả các dự án vệ tinh quỹ đạo thấp có kết quả thì trên toàn cầu xấp xỉ có khoảng 17.000 vệ tinh quỹ đạo thấp, có khả năng cung cấp cho toàn cầu hơn 150Tbps [3] Với đặc điểm của mình, các dự án vệ tinh quỹ đạo thấp đặc biệt thích hợp cho các trường hợp sử dụng trong đó công suất lớn được yêu cầu, hầu hết các dự án đầy tham vọng trong quy mô của họ tập trung vào các ứng dụng băng thông rộng với các cách tiếp cận khác nhau, ví dụ như:

- Thông qua hoạt động hỗ trợ di động: tại các khu vực nơi mà hoạt động truyền dẫn trên mặt đất cũng vậy tốn kém khi triển khai

- Truy cập băng thông rộng cố định cho B2C trong các khu vực từ xa/ không được phục vụ/chưa được phục vụ kể cả ở các thị trường mới nổi

- Băng thông rộng cho ứng dụng di động tốc độ cao (tàu hỏa, máy bay, thuyền) Trong các dự án hiện tại thì SpaceX đang dẫn đầu trong cuộc đua triển khai hệ thống hoạt động Tính đến thời điểm tháng 12 năm 2021, hệ thống Starlink của spaceX đã có hơn 1800 vệ tinh trên quỹ đạo tại khoảng cách so với trái đất là 550km Theo dự án này thì SpaceX sẽ đưa tổng số gần 12.000 vệ tinh lên quỹ đạo trong pha đầu và công ty đang xin phép phóng thêm 30.000 vệ tinh nữa lên quỹ đạo trong pha

2 của dự án [4] Nó sẽ cung cấp độ trễ thấp hơn để liên lạc giữa vệ tinh với trái đất và trái đất với vệ tinh Ban đầu nó dự định bao gồm liên kết quang học giữa các vệ tinh (OISL) sẽ làm giảm độ trễ hơn nữa trong khoảng cách xa và cung cấp thông tin liên

lạc, về mặt lý thuyết thậm chí có thể nhanh hơn cáp quang (do môi trường chân không trong không gian)

Bảng dưới thống kê các dự án chòm sao vệ tinh quỹ đạo thấp lớn với số lượng các vệ tinh ước tính được đưa lên quỹ đạo

Bảng 1.2: Các dự án chòm sao vệ tinh quỹ đạo thấp phổ biến hiện nay

(Nguồn: IDATE)

Để đánh giá tiềm năng phát triển của vệ tinh quỹ đạo thấp, ta hãy so sánh nó với các vệ tinh đang chiếm ưu thế trong lĩnh vực vệ tinh của 20 năm nay, đó là vệ tĩnh quỹ đạo địa tĩnh Bởi vì hầu hết các dự án vệ tinh quỹ đạo thấp đầy tham vọng trong tương lai đang được thực hiện bởi những nhà đầu tư mới (tức là không phải các nhà

sản xuất và phát triền vệ tĩnh quỹ đạo địa tĩnh truyền thống)

Cách đây vài năm, các dự án vệ tinh quỹ đạo thấp này vẫn được coi là tiềm ẩn rủi

ro trong ngành công nghiệp vệ tinh cùng với các công nghệ mà nó có liên quan Tuy nhiên, với khả năng giảm đáng kể chi phí để phân phối 1 Gbps, vệ tinh quỹ đạo thấp thực sự có thể tăng hơn nữa sự cạnh tranh về giá đã được cố định ở một số thị trường

và mức giá này đang gây ra khó khăn tài chính cho các nhà khai thác vệ tinh lớn nhất thế giới (các nhà khai thác Intelsat, Eutelsat, SES…)

Nếu chúng ta nhìn nhận theo cách tính toán chi phí đầu tư sản xuất một vệ tính bằng cách tính chi phí cụ thể ra một Gbps thì ta sẽ đánh giá được sự khác nhau về chi phí đầu tư, sản xuất một vệ tinh địa tĩnh với một vệ tinh quỹ đạo thấp Ở đây, ta sẽ

đánh giá chi phí sản xuất ra một Gbps giữa OneWeb (đại diện cho các vệ tinh quỹ đạo thấp) và các nhà điều hành vệ tinh địa tĩnh truyền thống

Trong khi OneWeb sẽ đầu tư 260.000 USD để cung cấp 1 Gbps [25] thì sẽ cần

từ 2 đến 9 triệu USD cho một vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh truyền thống Tuy nhiên cuộc chạy đua giảm giá chi phí kết nối vệ tinh vẫn tiếp diễn và chưa dừng lại Trong 3 năm gần đây, chi phí kết nối của các vệ tinh địa tĩnh đã giảm đi đáng kể với sự phát triền công nghệ của vệ tinh thông lượng cao (HTS – high throughput satellite) và một vài các cải tiến khác: cac vệ tinh địa tĩnh thời kỳ đầu có dung lượng băng thông là 1 – 10 gigabit trên giây (Gbps), các vệ tinh HTS thế hệ thứ nhất có dung lượng băng thông

là 10 – 50Gbps và các vệ tinh HTS thế hệ thứ ba có dung lượng băng thông là 150 – 350Gbps Một vệ tinh địa tinh thế hệ mới như ViaSat-3, được phóng vào năm 2019,

có khả năng cung cấp dung lượng 1Tbps Và với 3 vệ tinh địa tĩnh có khả năng phủ sóng toàn cầu thì chi phí cho 1Gbps có giá khoảng dưới 1 triệu đô Cùng cách ước tính tương tự thì chi phí cho 1Gbps của vệ tinh quỹ đạo thấp vẫn là thấp hơn so với mức của vệ tinh địa tĩnh Bảng dưới thể hiện sự so sánh chi phí để tạo ra 1Gbps giữa

vệ tinh quỹ đạo thấp của OneWeb và vệ tinh địa tĩnh Viasat -3

Bảng 1.3 So sánh chi phí đầu tư ra 1Gbps của Oneweb và Viasat-3

(Nguồn: IDATE)

Tuy nhiên, các cuộc so sánh giá trị như trên chỉ mang tính tương đối bởi vì bản thân các nhà sản xuất vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh truyền thống hiện đang là nhà xây dựng, cung ứng (trực tiếp) hoặc là đối tác (gián tiếp) với các nhà đầu tư, sản xuất vệ tinh quỹ đạo thấp nên mối quan hệ giữa các phần trong lĩnh vực vệ tinh nó vẫn mang tính tương hỗ Trong một môi trường cạnh tranh thì các vệ tinh quỹ đạo thấp và quỹ đạo

vừa được coi là một cách bổ sung làm vệ tinh địa tĩnh trở nên khác biệt hơn với các đối thủ cạnh tranh Nếu như các vệ tinh quỹ đạo thấp có khả năng cung cấp dung lượng cao và độ trễ thấp, có thể thích nghi với hầu hết các ứng dụng thì vệ tinh địa tĩnh đang điều chỉnh để phù hợp với mục đích phát sóng trong bối cảnh mà các video vẫn chiếm phần quan trọng nhất trong doanh thu của ngành công nghiệp

b Đánh giá về mức giá của các dịch vụ:

Sự ra đời của vệ tinh thông lượng cao (HTS – High Throughput Satellite) đã dẫn đến sự khác biệt về chi phí cho các dịch vụ vệ tinh, với tốc độ kết nối băng thông rộng giảm nhanh hơn Giá thành băng thông rộng cho các dịch vụ HTS của vệ tinh địa tĩnh nằm khoảng từ 250$ đến 400$ mỗi tháng Khi các vệ tinh quỹ đạo thấp và quỹ đạo trung bình trở nên phổ biến hơn, những công nghệ này được kỳ vọng sẽ cung cấp lợi thế về chi phí so với vệ tinh địa tĩnh Vì các chòm sao vệ tinh quỹ đạo thấp dự kiến sẽ cung cấp phạm vi phủ sóng cho khu vực kinh doanh nằm dưới phạm vi bao phủ của chòm sao

Từ đó, nó có khả năng định hình một mô hình mức định giá ở mọi nơi trên thế giới Kết hợp với công suất cao, thời hạn hợp đồng ngắn hạn (và do đó, các hợp đồng cạnh tranh hơn), vệ tinh quỹ đạo thấp có thể nhanh chóng giảm chi phí băng thông vệ tinh trên toàn cầu Cũng sẽ có cơ hội đáng kể cho việc định giá theo khu vực, do thực

tế là đầu tư vào chòm sao là chi phí chính và các vệ tinh riêng lẻ chỉ có thể phục vụ khu vực dưới vị trí hiện tại của họ Dựa trên dữ liệu này, so sánh giá trên mỗi Mbps của dự án Starlink ở mức 0,50$ – 1,50 $/ Mbps So với một loạt mức giá từ các dịch

vụ HTS của vệ tinh địa tĩnh được hiển thị trong bảng dưới, ta sẽ thấy giá trị thương mại của các chòm sao vệ tinh quỹ đạo thấp trở nên rất tiềm năng

Bảng 1.4: Bảng tham chiếu bán lẻ dịch vụ vệ tinh trên thế giới

(Nguồn: Phân tích và khảo sát các gói dịch vụ và tỷ giá hối đoái kể từ ngày 3 tháng

dữ liệu là 60 GB với giá gần 48 đô la ở Malaysia Trong khi đó, Maxis, một trong những nhà cung cấp băng thông rộng cáp quang của quốc gia, cung cấp tốc độ tải xuống là100 Mbps và tốc độ tải lên là 50 Mbps với gói dữ liệu hàng tháng không giới hạn với giá gần gần 31$/ một tháng khi có sẵn mạng cáp quang Thị trường băng thông rộng vệ tinh bán lẻ ở các khu vực Châu Á và Thái Bình Dương chưa trưởng

thành hơn so với các các khu vực, có sự chậm trễ về tốc độ, giá cả và phân bổ dữ liệu Điều này được minh họa trong bảng trên, chứa tóm tắt các gói băng thông rộng vệ tinh bán lẻ được cung cấp ở các quốc gia khác nhau

(Nguồn: Adapted from World Bank 2019 Innovative Business Models for

Expanding Fiber-Optic Networks and Closing the Access Gaps)

Do đó, sự cạnh tranh lớn nhất có thể không đến từ ngành công nghiệp vệ tinh mà

từ sự mở rộng hơn nữa của các dự án viễn thông trên mặt đất mà tương lai là 5G Nếu các dự án vệ tinh quỹ đạo thấp có thể giúp giảm chi phí của kết nối vệ tinh một cách đáng kể, nó vẫn không thể cạnh tranh với mạng mặt đất khi cơ sở hạ tầng cố định đã

có Đây có thể là một mối đe dọa đối với khả năng tồn tại của các dự án vệ tinh quỹ đạo thấp Ý tưởng sử dụng vệ tinh và đặc biệt là các vệ tinh quỹ đạo thấp như một công nghệ backhauling sẽ là một cách để bổ sung hợp lý thay vì cạnh tranh trực tiếp với cách mạng viễn thông mặt đất, như vậy cũng thu hẹp khoảng cách kết nối Backhaul là thuật ngữ chỉ kết nối giữa mạng trung tâm (mạng trục, mạng lõi) và các mạng từ xa (mạng con) Nói một cách tổng quát thì backhaul network chính là phần liên kết trong một mạng lưới có phân cấp Bởi vì 5G sẽ sử dụng các dải tần tương tự như vệ tinh (mmWaves) cũng có thể được tích hợp chặt chẽ hơn vào 5G Ví dụ, một thiết bị 5G sẽ chuyển đổi liền mạch sang bất kỳ vệ tinh nào kết nối khả dụng sau khi kết nối với cơ sở hạ tầng trên mặt đất bị mất Điều này sẽ cho phép đảm bảo hoạt động liên tục của 5G

1.3.5 Tiềm năng khai thác vệ tinh quỹ đạo thấp tại Việt Nam

Cũng giống như các nước ở khu vực Châu Á, Việt Nam đang trải qua quá trình bùng nổ Internet Theo một thống kê không chính thức thì việc tiếp cận Internet ở các nước thành viên đang phát triển tại khu vực Châu Á tiếp tục tăng mạnh, đặc biệt là

do có sự đầu tư công và tư vào cơ sở hạ tầng viễn thông, cạnh tranh gia tăng và phân

bổ các nguồn lực được chia sẻ, chẳng hạn như như đấu giá và phân bố dải phổ Mặc

dù vậy, bất chấp những nỗ lực này, nhiều nơi ở Châu Ấ vẫn còn tồn tại một khoảng cách lớn khi tiếp cận các dịch vụ viễn thông, đó là các vùng xa xôi, khó tiếp cận hoặc dân cư thưa thớt nhất vẫn bị ngắt kết nối, khiến nhiều nơi hơn một nửa dân số không

có quyền truy cập internet Việc thiếu cơ sở hạ tầng kỹ thuật số này thể hiện một cơ hội bị bỏ lỡ để tăng tốc phát triển kinh tế và xã hội Các ước tính mới nhất từ Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) cho thấy 3,7 tỷ mọi người vẫn chưa tham gia trực tuyến (49% dân số toàn cầu) và 63% hộ gia đình nông thôn không có truy cập Internet (như hình dưới)

Hình 1.5: Biểu đồ phần trăm người dùng cá nhân sử dụng Internet theo khu vực

và tình trạng phát triển, năm 2019

(Nguồn: International Telecommunication Union 2020 The Last-Mile Internet Connectivity Solutions Guide: Sustainable Connectivity Options for Unconnected Sites).[28] Ngoài ra, 1,5 tỷ người sống ở các khu vực không có dữ liệu di động tốc độ cao phạm vi phủ sóng (mạng di động thế hệ thứ tư 4G hoặc 4G LTE), trong khi 607 triệu người cư trú tại các khu vực hoàn toàn không có vùng phủ sóng dữ liệu di động (ít nhất là 4G hoặc vùng phủ sóng 3G) Hơn nữa, 313 hàng triệu người sống ở các khu

vực chỉ có dịch vụ thoại và nhắn tin ngắn (SMS) cơ bản được phủ sóng (thứ hai thế

hệ [2G]), và 220 triệu người sống ở các khu vực không được phủ sóng di động ITU ước tính rằng gần 428 tỷ đô la là cần thiết để đạt được quyền truy cập phổ cập vào băng thông rộng trên toàn cầu, 251 tỷ đô la trong số bắt buộc đối với châu Á, với khoảng 75% đến từ khu vực tư nhân và phần còn lại với sự hỗ trợ từ khu vực công Phần lớn dân số thế giới, hơn 5 tỷ người, sống cách xa hơn 10 km (km) từ bất kỳ cơ

sở hạ tầng cáp quang nào (3,6 tỷ cư trú cách xa hơn 25 km) Các vấn đề khác, chẳng hạn như khả năng chi trả, trình độ kỹ thuật số và việc thiếu nội dung phù hợp hoặc ngôn ngữ địa phương, đã dẫn đến 2,4 tỷ những người sống trong vùng phủ sóng 4G không đăng ký dịch vụ dữ liệu 4G Với khái niệm backhaul network được đưa ra như

ở trên, các chòm sao vệ tinh quỹ đạo thấp sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc liên kết với hạ tầng viễn thông trên mặt đất để đảm bảo mở rộng băng thông và tăng tốc độ truyền tải lưu lượng với độ trễ thấp

Tiềm năng tiếp tục phát triển trong tương lai của các mạng di động thế hệ kế tiếp

và tiềm năng của nhu cầu sử dụng Internet trong khu vực châu Á nói chung là rất tiềm năng Còn tại Việt Nam hiện nay, số lượng người sử dụng điện thoại thông minh là khoảng 60 triệu người, đứng trong top 10 nước có số người sử dụng điện thoại thông mình nhiều nhất (như biểu đồ dưới)

Hình 1.6: Biểu đồ thống kê 10 nước có số lượng người dùng điện

thoại thông minh nhiều nhất thế giới

(Nguồn: Statista)

Đồng nghĩa với điều này là nhu cầu sử dụng các gói dịch vụ di động tăng lên, nhu cầu giải trí, làm việc, nghiên cứu qua mạng Internet cũng tăng lên, các ứng dụng kỹ thuật số xuất hiện nhiều hơn Do đó, Việt Nam đang là một trong những thị trường rất tiềm năng cho việc phát triển các dịch vụ viễn thông băng thông rộng của khu vực Châu Á Và việc triển khai các dự án vệ tinh quỹ đạo thấp kết hợp với hạ tầng viễn thông mặt đất theo mô hình backhaul network sẽ là một giải pháp để có thể đảm bảo được nhu cầu thông tin liên lạc của nước ta trong tương lai

1.4 Kết luận chương:

Đây là một nội dung mang tính tổng hợp, để qua đó có cái nhìn khái quát về hiện trạng khai thác của vệ tinh nói chung, đặc biệt là vệ tinh quỹ đạo thấp trong những thay đỗi về công nghệ và nhu cầu trong những năm vừa qua Khả năng đáp ứng các dịch vụ băng rộng của vệ tinh truyền thống đã gặp phải những thách thức mạnh mẽ

từ các yêu cầu thực tế Bù đắp lại các khiếm khuyết đó, vệ tinh tầm thấp LEO với băng thông lớn, độ trễ nhỏ và giá thành chấp nhận được cùng khả năng triển khai ở mọi vùng địa hình, dân cư đang mở ra một triển vọng mới cho công nghệ truyền dẫn

vệ tinh trên thế giới và tại Việt Nam

CHƯƠNG 2 - PHÂN TÍCH CÁC THAM SỐ KHÔNG GIAN

CHO HỆ THỐNG VỆ TINH TẦM THẤP

2.1 Khái niệm chung về vệ tinh quỹ đạo tầm thấp:

2.1.1 Giới thiệu chung:

Quỹ đạo Trái đất thấp (LEO - Low Earth Orbit ), như tên gọi cho thấy, là một quỹ đạo tương đối gần với bề mặt Trái đất Quỹ đạo này thường ở độ cao dưới 2000

km nhưng có thể thấp tới 160 km so với Trái đất - thấp so với các quỹ đạo khác, nhưng vẫn rất xa so với bề mặt Trái đất

Các vệ tinh này thường được sử dụng cho các ứng dụng về thông tin liên lạc, trinh sát quân sự, dự báo thời tiết và các ứng dụng hình ảnh khác

Hình 2.1: Các mô hình vệ tinh theo cao độ quỹ đạo

Hầu hết các vật thể nhân tạo quay quanh trái đất đều nằm trong quỹ đạo LEO Các vệ tinh nằm trong quỹ đạo này sử dụng trong thông tin liên lạc được hưởng lợi

do độ trễ truyền dẫn tín hiệu thấp, thời gian lan truyền tín hiệu truyền thông thấp hơn dẫn đến độ trễ truyền dẫn nhỏ hơn Ngoài ra, ở gần trái đất hơn thì các vệ tinh chụp ảnh có thể quan sát trái đất bằng thiết bị có độ phân giải nhỏ hơn và độ chi tiết cao hơn

Các vệ tinh LEO thường ít tốn kém hơn để đặt vì chúng đòi hỏi ít lực đẩy tên lửa nhỏ hơn so với các vệ tinh hoạt động ở dải quỹ đạo địa tĩnh trên độ cao 36.000 km Tuy nhiên LEO di chuyển qua bầu khí quyển dày đặc hơn nhiều và do đó chịu lực cản khí động học lớn hơn Điều này có nghĩa là chúng sẽ cần nhiều năng lượng hơn

để di chuyển với tốc độ cao nhằm thực hiện các hiệu chỉnh duy trì quỹ đạo công tác Trong trường hợp vệ tinh không đồng bộ quay quanh quỹ đạo trái đất với tốc độ khoảng 3,06 x 103 mét/giây, vệ tinh LEO có thể di chuyển với tốc độ 7,78 x 103 mét/giây, quay quanh quỹ đạo nhiều lần trong ngày ISS quay quanh quỹ đạo 400 km

và thực hiện một vòng quay hoàn toàn quanh trái đất khoảng 93 phút một lần

Vệ tinh LEO có trường liên lạc với trái đất nhỏ hơn nhiều so với vệ tinh ở độ cao lớn hơn, chúng cũng có vòng quay xung quanh trái đất nhanh hơn Những yếu tố này đòi hỏi mạng vệ tinh phải có khả năng hoạt động đồng bộ chính xác cao cho các ứng dụng thực tế Mạng (chùm) vệ tinh (satellite constellation) là một nhóm các vệ tinh hoạt động đồng thời, đặt cách nhau để cung cấp phạm vi phủ sóng cần thiết

Phạm vi của vệ tinh LEO kết thúc khi quỹ đạo trái đất trung bình (MEO) bắt đầu ở 2.000 km MEO mở rộng đến phạm vi của quỹ đạo địa tĩnh hoặc địa không đồng bộ

Hình 2.2: Vùng phủ của các mô hình vệ tinh theo quỹ đạo

2.1.2 Đặc điểm cơ bản của vệ tinh LEO:

- Cần sử dụng một mạng lưới các vệ tinh quỹ đạo thấp để phủ sóng toàn cầu

- Các vệ tinh này công suất không lớn như các vệ tinh MEO và GEO

- Do tốc độ di chuyển cao, các vệ tinh di chuyển vào và ra khỏi phạm vi của trạm mặt đất rất nhanh theo thời gian Vì vậy, dữ liệu có thể được truyền từ vệ tinh này sang vệ tinh khác để không bị gián đoạn liên lạc

- Đưa các vệ tinh LEO vào quỹ đạo tốn ít năng lượng hơn nhiều so với MEO và GEO, hơn nữa các bộ khuếch đại của họ vệ tinh này cũng tiêu thụ ít điện năng hơn

- Chúng khá rẻ so với các phương thức truyền thông dữ liệu khác, vì vậy chúng

có thể được sử dụng như một phương thức truyền dẫn kinh tế hơn cho các khu vực kém phát triển

- Mạng LEO có thể được sử dụng để thiết lập mạng lưới ở những địa hình xa xôi, nơi không thể đặt đường dây như trên đất liền

2.1.3 Các loại vệ tinh LEO và các ứng dụng:

Sự phát triển từ vệ tinh địa tĩnh sang vệ tinh quỹ đạo Trái đất thấp (LEO) đã dẫn đến một số các hệ thống vệ tinh toàn cầu được đề xuất, có thể được nhóm thành ba loại riêng biệt Các hệ thống LEO này có thể được phân loại bằng cách tham chiếu đến các dịch vụ trên mặt đất của chúng

Bảng 2.1 Phân loại các hệ thống vệ tinh LEO

Tiêu biểu ORBCOMM Iridium, Globalstar Optel-C, Starlink Ứng dụng Dữ liệu tốc độ bít

thấp

Điện thoại di động Đa dịch vụ băng

rộng Thông tin mặt đất

tương tác

Paging Điện thoại di động Cáp quang

Về cơ bản, các dịch vụ di động và cáp quang là loại hình dịch vụ bổ sung, không cạnh tranh, bởi vì chúng cung cấp các loại dịch vụ cơ bản khác nhau Tương tự, các

hệ thống được hiển thị dưới dạng LEO-lớn và LEO băng rộng dự kiến sẽ bổ sung thay vì cạnh tranh vì các dịch vụ này được đề xuất cung cấp các dịch vụ khác biệt rõ ràng cho các thị trường khác nhau Ví dụ, Big LEO có kế hoạch cung cấp dịch vụ thoại di động băng tần hẹp, trong khi mạng như Oneweb hay Skylink có kế hoạch cung cấp dịch vụ kết nối băng thông rộng tương đương với dịch vụ có dây trong đô thị

2.2 Quỹ đạo vệ tinh:

2.2.1 Các mô hình mạng vệ tinh:

Để tăng phạm vi phủ sóng bề mặt Trái đất hoặc để giảm số lần truy cập người ta cần thiết kế và khai thác mạng vệ tinh đáp ứng yêu cầu này Hiện tại có một số mô hình mạng vệ tinh (constellation) đang được sử dụng và còn được lên kế hoạch khai thác cho nhu cầu trong tương lai Hầu hết các mạng hiện nay được dành cho mục đích định vị, điều hướng bằng cách sử dụng vệ tinh trên quỹ đạo MEO hoặc để liên lạc với

vệ tinh tại quỹ đạo LEO Các đặc điểm quỹ đạo chính của một số mạng vệ tinh được liệt kê trong bảng 2.2

Bảng 2.2: Đặc điểm của một số mạng vệ tinh

gia khai thác

Số lượng vệ tinh

Số lượng quỹ đạo

Cao độ (km)

Orbcomm Lưu trữ và chuyển

tiếp

Bei Dou Định vị vùng Trung

Hoa

Quasi-Zenith Định vị vùng Nhật Bản 4 N/A 42.164 Regional Nav Hệ thống hàng hải

Ấn

Hình 2.3: Hình ảnh quỹ đạo của GPS và Globalstar

Mục đích chính trong việc thiết kế một mạng vệ tinh là (1) đáp ứng yêu cầu cụ thể của mạng, (2) mật độ vùng phủ (hoặc mức độ chấp nhận được của vùng phủ mạng

vệ tinh), (3) số lượng mặt phẳng quỹ đạo và số lần phóng lên quỹ đạo, (4) độ cao quỹ đạo và (5) chi phí Hình 2.5 minh họa một mặt phẳng quỹ đạo của 8 vệ tinh trong một mạng vệ tinh đa quỹ đạo ở minh họa này, mỗi một vệ tinh hoạt động ở độ cao 550

km Các hình nón màu cam đại diện cho giới hạn phủ sóng của các vệ tinh, mỗi hình nón tiếp xúc với bề mặt Trái đất tại cạnh của phạm vi vùng phủ Tuy nhiên, vẫn tồn tại một số khoảng trống về vùng phủ sóng giữa các vệ tinh liền kề

Hình 2.4: Mô phỏng vùng phủ của vệ tinh ở độ cao 600km

Do vậy, số lượng vệ tinh trong một mặt phẳng quỹ đạo, tổng số lượng vệ tinh trong mạng và cao độ hoạt động của vệ tinh sẽ được xem xét nghiên cứu để xác định

số lượng vùng bao phủ của mạng vệ tinh lên bề mặt Trái đất Ví dụ trên hình 2.5 là một điển hình nghiên cứu dành cho quỹ đạo Cực, từ đó các kết quả và số liệu về phạm

vi phủ sóng khác nhau quỹ đạo nghiêng khác cũng tương tự

2.2.2 Vùng phủ và các khoảng trống:

Khi một số vệ tinh được đặt cách đều nhau trên quỹ đạo tại một cao độ xác định, thì vùng phủ của chúng có thể tạo nên các khoảng trống giữa các vệ tinh lân cận hoặc những vùng phủ này có thể chồng chéo lên nhau như được trong hình 2.5 Hình 2.6 cho thấy khoảng cách của khoảng trống này (hoặc chồng chéo vùng phủ) là một hàm của cao độ và số lượng vệ tinh trong cùng một mặt phẳng của quỹ đạo

(Nguồn: Rec ITU-R SA.1156) [28]

Hình 2.5: Biến thiên giữa khoảng trống của các vùng phủ với số lượng vệ tinh

trên cùng một mặt phẳng quỹ đạo

Từ biểu đồ trên ta thấy nếu có 9 vệ tinh trên mỗi mặt phẳng quỹ đạo thì tại độ cao quỹ đạo thấp nhất là 400 km, các vòng bao phủ của các vệ tinh liền kề sẽ chỉ chạm vào nhau Tại độ cao lớn hơn, vùng phủ sóng của vệ tinh sẽ chồng lấn lên

nhau với số khoảng cách chồng lấn tương ứng Và tương tự như vậy với 8 vệ tinh trên mỗi mặt phẳng quỹ đạo, độ cao quỹ đạo sẽ phải được nâng lên khoảng 540 km

để đạt được kết quả tương tự

Số lượng vùng chồng lấn trong đó phạm vi vùng phủ liên tục xác định chiều rộng của Ví dụ: trong mạng vệ tinh Orbcomm [4], hoạt động ở độ cao quỹ đạo 825 km, theo tính toán bắt đầu có vùng chồng lấn khi có khoảng 6,5 vệ tinh trên mỗi mặt phẳng quỹ đạo nên trên thực tế mạng này hoạt động 6-8 vệ tinh trên mỗi mặt phẳng quỹ đạo Mặt khác, trong mạng vệ tinh Iridium, bay ở độ cao 781 km, sử dụng 11 vệ tinh trên mỗi mặt phẳng quỹ đạo, là số lượng vệ tinh đủ để có được khoảng chồng lấn cho phép nhằm tạo nên phạm vi bao phủ liên tục, đáp ứng được yêu cầu truyền thông cho mạng thoại liên tục Ngược lại, mạng Orbcomm hoạt động như là hệ thống chuyển tiếp dữ liêu và không yêu cầu vùng phủ sóng chồng chéo quá lớn Do vậy, với mạng này trong một mặt phẳng quỹ đạo chỉ có 6 vệ tinh, khoảng cách phủ sóng tối thiểu là

300 km, hoặc khoảng 43 giây cho mỗi lần quay

Chiều rộng  dưới dạng hàm số của số lượng vệ tinh trên mỗi mặt phẳng và quỹ đạo và độ cao được thể hiện trong Hình 2.6 Ta thấy rằng đối với 6 vệ tinh trên mỗi mặt phẳng quỹ đạo thì  là khá nhỏ trên độ cao khoảng 1100 km Nhưng đối với 8 vệ tinh trên mỗi mặt phẳng, quỹ đạo vệ tinh sẽ xuống tới 700 km để có được chiều rộng

 chấp nhận đươc

Sự chồng lấn (hoặc khoảng trống của vùng phủ) giữa các mặt phẳng quỹ đạo cũng phụ thuộc vào vĩ độ Ví dụ: đối với mạng vệ tinh quay quanh cực, mỗi vệ tinh trong mỗi mặt phẳng quỹ đạo bao phủ vùng Cực Tại một vĩ độ xác định, các mặt phẳng quỹ đạo liền kề sẽ có các vùng chồng lấn, và thấp hơn vĩ độ đó sẽ bắt đầu có xuất hiện những khoảng trống về phạm vi phủ sóng Hình 2.7 minh họa sự chồng lấn theo vĩ độ bắt đầu như một hàm của số khoảng cách giữa các mặt phẳng và chiều rộng

